热淡化技术在解决淡水短缺问题上具有显著优势，尤其是其灵活的规模部署和低维护要求[1]。与需要稳定电源和复杂组件的膜基或机械蒸汽压缩系统不同，热淡化系统可以使用各种热源和简单的设备配置[2]。与太阳能热收集器等可再生能源的结合使得热淡化成为离网缺水社区的可持续解决方案[3]，尽管水产量性能仍是一个关键挑战[4]、[5]。
目前有三个主要因素限制了传统热淡化系统的水产量性能。首先，预热和蒸发大量海水导致在有限的能量输入下操作温度较低，从而无法提供足够的驱动力使海水蒸发[6]。其次，蒸发和冷凝表面之间的较大间距（通常>100毫米）导致热质传递系数较低，体积水产量率低于5.0千克/(小时·立方米)[7]、[8]、[9]、[10]。第三，大量冷凝潜热直接通过盖板散失到大气中而未被回收[11]。
在上述因素中，蒸发和冷凝表面之间的间距是一个影响蒸馏效率的关键参数[12]、[13]、[14]，随着传质距离的减小，水产量率呈指数级增加[15]、[16]。
近年来，膜蒸馏（MD）技术成为热淡化研究的热点。大量文献主要集中在膜制造技术[17]（提高性能：疏水性、孔隙率、低热导率等）、环境友好性[18]（天然材料、可生物降解性）以及成本和耐用性[19]、[20]（受进水温度、盐度和有机污染的影响）。理论上，直接接触MD的传质距离接近于零。然而，由于进水温度的限制（温度极化）[21]、[22]、[23]以及膜带来的高传质阻力[24]，整体传质系数仍然较低。因此，通常采用真空MD来增加水产量[25]，但这显著增加了生产成本和能耗。一些研究人员甚至质疑MD的必要性，建议直接使用织物代替蒸馏膜[26]。
在非膜热淡化方法中，为了减小蒸发-冷凝间距，研究人员通过倾斜或垂直配置扩展了传统太阳能蒸馏器的蒸发面积，开发了垂直多效蒸馏器。垂直多效蒸馏器主要分为两种类型：降膜式和升膜式。降膜式蒸馏器利用重力驱动液膜流动，并通过调节进水流量来优化操作条件[15]。Chang等人[27]设计了一种多级圆锥形太阳能降膜蒸馏器，其传质距离为10毫米。该系统具有自浮能力，冷凝表面自然浸入水中。在72°C的顶级操作温度下，双效系统的热水产量效率达到了0.99。升膜式蒸馏器利用毛细力将进水提升到一定高度，这些系统能够实现完全被动操作，尽管进水流量保持不变[28]、[29]、[30]。Xu等人[28]选择了5毫米的热质传递间距，并结合了抗反射膜、SiO?气凝胶和选择性吸收涂层来提高多级升膜蒸馏器的光学效率和热绝缘性能。他们的结果表明，在1000瓦/平方米的辐照度下，10级系统的增益输出比为3.85。为了在任意角度实现最大太阳能接收，Zhu等人[31]采用了一种水平排列的多效结构，蒸发-冷凝空气间隙为2毫米。他们结合了虹吸驱动的界面蒸发和正向渗透来提高界面蒸发的长期运行潜力。在单位太阳辐照度下，5级装置的水产量仅为1.78千克/(平方米·小时)。
尽管已经实现了较小的传质间距，但液膜依赖的二维平面结构会限制对流传质，导致扩散主导传质过程，从而限制了水产量的进一步提高[32]、[33]、[34]。这一限制需要开发新的传质增强策略。
珠流作为一种高效传质配置，在化学工程中已用于去除气体流中的杂质和分离化学产品数十年来[35]、[36]。研究表明，珠流由交替的液滴和薄液膜组成，其不规则的结构显著增加了传质面积，同时避免了较大的气体流动阻力[37]、[38]、[39]。然而，将交替的冷热珠流应用于热淡化的技术尚未得到充分探索。
我们之前的论文[7]提出了一种基于并行交替冷热珠流的新淡化方法。该方法使用载体纤维引导流体流动，使热盐水和冷水在毫米级间距下并行落下而不会发生交叉污染。从热盐水中蒸发的水蒸气在相邻的冷淡水上直接冷凝，实现了近距离的液-液热质传递。与传统的降膜或升膜结构不同，一维纤维载体不会限制横向对流，从而产生垂直于流动方向的二维传质特性，并具有更好的可控性和更高的传质系数。然而，设计交替珠流淡化系统面临重大挑战。系统结构和操作参数与珠流特性之间的定量关系尚不清楚。这些基础知识空白限制了系统优化，并需要开发热质传递性能的预测模型。
此外，传统分析通常使用围绕单个垂直细圆柱体的层流自然或强制对流来近似珠流中的热质传递过程。Popiel[40]总结了围绕垂直圆柱体的自然对流的相关性。Cebeci[41]使用边界层分析为垂直圆柱体上的层流自然对流提供了数值解，并为不同的普朗特数拟合了相关系数。这些研究仅考虑了等温壁，未涵盖强制或混合对流。Heckel[42]将分析扩展到非等温壁，并报告了纯自然和对流混合层流的相关性。这些相关性表明，在层流中，努塞尔特数取决于雷诺数、普朗特数、圆柱表面的曲率以及壁温变化参数。在湍流中，现有实验表明表面曲率对平均对流系数只有微弱影响[40]。本研究中的冷热珠流与经典配置不同。下降的珠子周期性干扰了近壁气流，使其趋于湍流状态。实际携带热量和蒸汽的工作介质始终是湿润的空气，液珠的存在进一步改变了局部传输。因此，直接使用传统的无量纲相关性可能不准确。因此，需要基于珠流流动的实验特定无量纲相关性，以便可靠地设计和评估淡化装置及相关化学工程设备。
本研究改进了交替珠流阵列淡化方法的概念框架，并对单对和阵列配置下的流动模式和热质传递过程进行了全面研究。研究确定了影响水产量率的关键流动参数，并开发了预测无量纲热质传递系数的经验相关性，为这种新型淡化技术的设计和优化提供了必要的理论基础。由于热质交换直接发生在两个湿润珠流之间的湿润空气间隙中，该装置避免了容易结垢的传统固体传热板。缩短的传质间距降低了蒸汽传输阻力，使得在小温差下实现高效相变淡化成为可能。
